大展弦比机翼非线性颤振分析与优化

<正>气动弹性问题一直以来都困扰着飞行器设计人员,现代飞机远没有摆脱气动弹性问题所带来的困扰,国内外研究结果表明,气动弹性优化设计能有效的改善机翼的气动弹性性能,进而提高飞机的整体性能,已成为现代飞机设计过程中必不可少的环节之一。随着先进的复合材料在飞机上得到广泛的应用,针对复合材料机翼的优化研究,得到了越来越多学者的关注。合理的优化可提高飞机发散速度甚至消除发散现象。在复合材料机翼的优化设计     

旋翼非定常气动特性CFD模拟的通用运动嵌套网格方法

针对直升机旋翼非定常气动特性CFD模拟中的网格生成难题,提出了一套高效、通用的运动嵌套网格生成方法.首先,基于Poisson方程求解和翻折法生成旋翼桨叶的正交贴体网格.其次,针对旋翼桨叶的扭转分布及变距、挥舞等复杂运动,建立了一套通用的洞单元识别的扰动衍射法;为保证洞包络面的封闭性,完善了挖洞过程中网格加密策略;在洞边界确立基础上,提出了一种高效、鲁棒的最小距离法贡献单元搜索的改进方法.在此基础上,建立了基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的旋翼非定常流场CFD模拟方法.最后,采用所建立的方法分别对悬停和前飞状态下的C-T(Caradonna-Tung)旋翼和7A(Helishape 7A)旋翼的气动特性、桨尖涡的位置进行了计算,计算结果与试验值误差小于5%,验证了该运动嵌套网格生成方法在旋翼非定常气动特性CFD模拟中的有效性.      

硅微陀螺平板结构的压膜阻尼研究

压膜阻尼对硅微陀螺的精度具有重要影响。平板结构是硅微陀螺中一种典型结构,本文通过对雷诺方程的推导,得出平板在正弦规律小振幅刚性运动时的阻尼力解析式,并给出低频时阻尼系数的近似算法。利用Matlab和CoventorWare软件对运动平板的阻尼进行仿真计算,得出运动平板的阻尼系数和刚度系数,并分析平板参数对阻尼系数及刚度系数的影响。建立不同类型的带孔平板模型,通过比较可以看出,当阻尼孔按一定方式排列时,可以降低结构的阻尼。     

目标函数误差估算及网格自适应处理

发展了一种基于目标函数误差估算的网格自适应准则,进而通过网格自适应处理提高目标函数计算的效率和准确性。首先描述了目标函数的误差估算及修正的方法,该方法通过伴随方程将原方程的残值误差与目标函数联系起来。然后,基于误差估算建立网格自适应准则,以减少目标函数修正后的剩余误差,提高目标函数计算结果的准确性,并将方法进一步发展至多目标问题。最后将该准则应用于Euler方程控制的NACA0012翼型无粘可压流动的网格自适应模拟。数值计算成功地捕获了与升力、阻力和力矩等目标函数相关的特征流动区域,计算出符合指定精度要求的目标函数值,验证了本文所发展的方法。     

连续尺度变换方程在稳态及非稳态流动模拟中的应用

为了提高涡粘性假设的湍流模型对于非稳态流动的求解精度,同时兼顾其对于稳态流动的求解性能,将雷诺应力项与连续变换方程(CSSE)结合而形成新的应力项,使其根据流场尺度、网格尺度及Kolmogorov尺度来自动调节当地的应力雷诺应力模化水平,避免网格因素在流场模拟中产生不利影响,改正了混合RANS/LES方法的速度型偏离对数率问题;同时,该方法并未引入显式亚格子模型(SGS),因此回避了亚格子系数确定对于流场模拟精度产生的影响,改善了湍流模型对于流动不稳定性的辨识精度。在湍流平板算例中,CSSE方法计算的边界层速度型精度与雷诺平均方法(RANS)相当,而对于圆柱尾迹的模拟则证明了CSSE方法具有混合RANS/LES方法的优点,即能够准确模拟流动的不稳定性特征。     

应用协同射流控制的临近空间螺旋桨高增效方法

基于雷诺平均Navier-Stokes方程与多块搭接网格技术,数值模拟了协同射流(CFJ)翼型及桨叶的黏性绕流,分析了CFJ技术的增升减阻效果及工作机理。研究了CFJ的功率及效能比的分析方法,量化分析了CFJ的能量利用率。开展了喷口大小、喷口动量系数等参数对CFJ翼型性能的影响规律研究,并在此基础上开展了应用CFJ的临近空间螺旋桨高增效方法研究。结果表明:数值模拟结果与实验值吻合良好,在不同状态下,CFJ控制技术均能显著改善翼型气动性能。其中,最大升力系数提高了60%~130%;阻力系数降低了100%~440%,部分小迎角工况甚至出现负阻力系数,升阻比显著提高;翼型失速特性明显改善,失速迎角提高了近10°;能量利用率高,效能比可达440%。最终,在最优参数条件设置下,采用基于CFJ控制技术的临近空间螺旋桨可提高效率5%以上。     

铰链对含铰结构非线性动力学特性影响分析

针对可展结构中铰链带来的展开后非线性动力学问题,建立了含铰结构的动力学模型。基于铰链侧向和径向的几何约束关系,分析了不同约束条件下的铰链非线性特性。基于谐波平衡法（HBM）,对含铰结构的非线性变量进行一次谐波展开,得到铰链非线性力的谐波展开表达式,将含铰可展结构的非线性动力学方程转化为代数方程。分析了铰链在不同非线性特性下各参数对结构动态特性的影响,得到结构固有频率随铰链间隙、刚度和激振力的变化规律。考虑铰链的非线性特性,通过固有频率脊线求解,得到结构固有频率极值随铰链数量、位置和刚度的变化曲面,并对其进行非线性拟合,得到铰链参数对结构固有频率的影响函数,其计算方法和结果在多维复杂结构中具有一定的扩展性,为可展结构的设计和研究提供参考。利用龙格库塔法对非线性结构进行数值仿真,得到结构的固有频率变化曲线,仿真结果表明了利用HBM进行含铰结构动力学分析的正确性。     

悬停状态倾转旋翼/机翼干扰流场及气动力的CFD计算

基于一套高效通用的多层运动嵌套网格技术,建立了适合悬停状态倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰特性分析的高效混合计算流体力学（CFD）方法。在倾转旋翼/机翼贴体网格区采用可压雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程作为主控方程,过渡/背景网格区选用Euler方程,湍流模型选用Spalart-Allmaras模型。时间推进上采用双时间推进格式进行非定常求解,并在方法中运用了SPMD（Single Program Multiple Data）模式的并行加速技术。在此基础上,首先分别采用UH-60A直升机旋翼及XV-15倾转旋翼机旋翼作为数值算例,验证了CFD方法的有效性。然后着重对倾转旋翼/机翼的非定常干扰流场及气动力分布特征进行了数值研究,模拟得到与实际情况相符的“喷泉效应”干扰现象。计算结果表明,干扰作用使得倾转旋翼相对于孤立旋翼拉力数值减小了3%,但总的拉力系数损失达到了17%,证明悬停状态下气动干扰对飞行器气动性能有重要影响。     

基于Kane方程的拖曳式诱饵释放过程动态特性分析

研究了航空拖曳式诱饵释放过程中的动态特性。根据诱饵的运动状态,将释放过程划分为自由状态、放索状态和拖曳状态。利用Kane方程建立了拖曳式诱饵释放的多体系统动力学模型,其中拖索离散为若干段刚性杆,诱饵视为刚体与拖索铰接,其上的作用力包括铰约束力、气动力和重力。针对放索过程中第1个索段质量时变引起的变质量动力学问题,采用Generalized-α算法进行时域求解。在此基础上分析了载机不同飞行高度、飞行速度、拖索释放速度以及拖曳点位置对诱饵释放过程中动态特性的影响。结果表明:在低空高速下释放,诱饵的俯仰角幅值较小,质心相对位置变化较稳定,收敛速度较快,但载机飞行速度过大时,诱饵容易靠近载机尾流区并受其影响;放索速度增大时,诱饵俯仰角幅值增大,质心会出现纵向沉浮运动;拖曳点远离重心时,俯仰角震荡幅值增大,当靠近重心时,收敛性变差,应合理设计并优化拖曳点位置和放索速度。     

Friction moment analysis of space gyroscope bearing with ribbon cage under ultra-low oscillatory motion

This paper presents the model of calculating the total friction moment of space gyroscope ball bearings which usually work under ultra-low oscillatory motion and are very sensitive to the friction moment. The aim is to know the proportion of the friction moment caused by each frictional source in the bearing＇s total friction moment, which is helpful to optimize the bearing design to deduce the friction moment. In the model, the cage dynamic equations considering six degree-of-freedom and the balls dynamic equations considering two degree-of-freedom were solved.The good trends with different loads between the measured friction moments and computational results prove that the model under constant rate was validated. The computational results show that when the speed was set at 5 r/min, the bearing＇s maximum total friction moment when oscillation occurred was obviously larger than that occurred at a constant rate. At the onset of each oscillatory motion, the proportion of the friction moment caused by cage in the bearing＇s total friction moment was very high, and it increased with the increasing speed. The analyses of different cage thicknesses and different clearances between cage pocket and ball show that smaller thickness and clearance were preferred.